结瘤与非结瘤大豆根际氮循环中，升温响应与臭氧敏感性之间的权衡

《Applied Soil Ecology》：A trade-off between warming responses and ozone sensitivity in nodulating versus non-nodulating soybean rhizosphere nitrogen cycling

根际氮循环对增温和臭氧复合胁迫的响应及其与大豆固氮特性的关联性。研究显示，共生固氮型大豆（Tiefeng-29）在增温下显著提升铵态氮和硝态氮有效性、微生物生物量及古菌氨氧化基因丰度，但对臭氧胁迫更敏感，其微生物生物量、硝化相关基因及酶活性降幅最大。非固氮型大豆（Clark L73-1054）虽对臭氧胁迫的响应相对较弱，但增温效应亦显著促进其氮循环指标。臭氧胁迫同时抑制两种基因型的微生物活性，但仅非固氮型大豆表现出产量与根际氮代谢的负相关。氮固定共生体系在增温中增强根际功能，但易受臭氧氧化损伤。

　　

胡恩柱|张伟伟|李亚婷

东北大学冶金学院，沈阳，110819，中国

摘要

了解多种非生物胁迫因素如何相互作用以影响根际氮循环对于预测全球变化下的土壤生态功能至关重要。豆科植物的生物固氮作用创造了微生物丰富且高度活跃的根际环境，但尚不清楚当温度升高和氧化胁迫同时发生时，这一特性是降低还是增加了植物的脆弱性。在这里，我们比较了两种大豆基因型（一种结瘤品种Tiefeng-29和一种非结瘤品种Clark L73-1054）在因子升温（+2°C）和高浓度臭氧（+80 nL L^?1）作用下的根际氮循环响应。升温一致地增加了铵盐和硝酸盐的可用性、微生物生物量以及古菌的氨氧化作用，其中结瘤品种的反应最为显著。相比之下，高浓度臭氧减少了微生物生物量、硝化菌基因的丰度、脲酶活性和硝酸盐积累，且这些影响在结瘤品种中更为明显。高浓度臭氧显著降低了两种品种的籽粒产量，非结瘤品种的产量下降幅度更大；然而，地下微生物活动的抑制并不完全与产量下降模式一致。臭氧还增加了nirS和nosZ的丰度，表明与反硝化相关的基因表达增强，而升温则促进了nifH和AOA-amoA的表达，表明固氮和古菌硝化途径得到了刺激。冗余分析显示，升温与臭氧相关的响应模式存在多变量差异，结瘤现象与升温相关的变化更为一致。总体而言，这些结果表明了一种由性状介导的生态权衡：共生固氮作用在升温条件下增强了根际功能，但在臭氧胁迫下变得更为敏感。这对未来气候条件下根际过程的稳定性、氮循环以及基于豆科植物的土壤肥力具有重要的意义。

引言

人为气候变化同时导致全球温度上升和对流层臭氧污染加剧（IPCC，2021年）。由于这两个因素都强烈调节植物-土壤-微生物相互作用，它们的共同作用预计会以单因素研究无法预测的方式改变地下生态过程。温度升高加速了土壤微生物的代谢和酶动力学，而高浓度臭氧是一种强氧化剂，会损害光合作用，减少地下碳的分配，并破坏根际相互作用（Fuhrer等人，2016年；Lee等人，2022年；Lyu等人，2023年）。对流层臭氧是一种通过温度和辐射依赖的光化学反应形成的二次污染物，涉及氮氧化物（NOx）和挥发性有机化合物（VOCs）。最近的研究表明，升温与臭氧污染的共现现象日益普遍，这不仅是因为季节性的重叠，还因为温度升高增强了光化学反应速率，增加了VOC的排放，并促进了有利于臭氧积累的大气停滞（Wang等人，2025年；Wu等人，2024年；Xiao等人，2022年）。随着升温与臭氧事件的日益增多，迫切需要开展土壤生态学研究，以明确这些相互作用胁迫因素如何影响土壤生物群落和氮转化。

土壤氮循环对这些环境因素特别敏感。升温可以通过增强酶活性和增加根系提供的碳输入来刺激氮矿化、硝化和微生物周转（Baldrian等人，2013年；Hu等人，2020年；Kuzyakov和Xu，2013年）。然而，这些由升温引起的响应并非总是积极的，且受到背景气候和环境条件的强烈制约（Mao等人，2025年）。田间和元分析研究进一步表明，适度的升温通常会增强微生物的氮转化速率，而长期或高强度的升温则可能导致底物限制、微生物适应或群落组成的变化，从而减弱氮循环响应（Chen等人，2024年；Mao等人，2025年）。相比之下，高浓度臭氧已被证明会对植物组织造成氧化损伤，减少光合碳的吸收，并抑制地下碳的分配，从而限制微生物活动和根际氮转化（Chen等人，2015年；Hu等人，2018年；Zhang等人，2022年）。最近的研究还表明，臭氧可以选择性改变硝化菌和反硝化菌的群落结构及功能基因的丰度，进而影响硝化-反硝化平衡和土壤的多功能性（Gu等人，2023年；Zhang等人，2024年）。这些对碳供应和微生物功能的相反影响表明，升温与臭氧可能通过不同的、甚至可能是对立的机制重新配置根际氮循环途径。然而，关于它们在农业土壤中联合效应的实证证据仍然有限（Qiu等人，2018年），特别是在植物性状对土壤微生物过程有显著影响的系统中。

豆科植物引入了额外的复杂性，因为生物固氮作用可以根本性地重组根际氮库和微生物群落。结瘤作物如大豆向土壤-植物-微生物系统提供共生固定的氮，刺激微生物生物量，并相对于非结瘤基因型加速氮循环（Ohyama等人，2023年；Schipanski等人，2009年；Wang等人，2020年）。然而，结瘤过程需要植物投入大量的碳，这可能增加固氮系统对臭氧引起的光合碳供应减少的敏感性（He等人，2014年；Wang等人，2023a）。因此，固氮品种可能在升温条件下表现出由性状介导的权衡：微生物活动和氮周转增加，但在氧化胁迫下由于根系沉积减少而变得更为敏感。尽管有这种机制上的预期，但目前还缺乏关于结瘤和非结瘤表型在共同升温与臭氧作用下的直接比较。

为了解决这一空白，我们研究了升温和高浓度臭氧单独及相互作用如何影响结瘤和非结瘤大豆品种根际的土壤氮转化过程。具体来说，我们量化了矿物氮库、微生物生物量、与氮相关的酶活性以及参与固氮、硝化和反硝化的关键功能基因的丰度。我们的目标是：（1）评估升温和高浓度臭氧如何在微生物和过程层面共同调节根际氮循环；（2）确定结瘤表型是否改变了根际过程对这些胁迫因素的敏感性；（3）检验固氮大豆是否表现出升温-臭氧之间的权衡，在升温条件下微生物功能增强，但在臭氧暴露下敏感性增加。

研究地点和植物材料

实验在中国东北部的辽宁省沈阳市进行（41.91°N，123.60°E），该地区具有温带半湿润大陆性季风气候。年平均温度为7.5°C，年平均降水量为672.9毫米。表层土壤（0–15厘米）取自一个之前种植玉米的田地，其pH值为6.6，有机碳含量为20.2克/千克，总氮含量为1.80克/千克。根据之前在沈阳进行的研究

高浓度臭氧和升温对产量的影响

不同品种和臭氧处理之间的籽粒产量存在显著差异（表A.2和A.3）。高浓度臭氧显著降低了产量（P < 0.001），且EO₃ × 品种之间的交互作用也显著（P = 0.007），表明不同品种对臭氧的敏感性存在差异。在EO₃条件下，结瘤品种的产量下降了约43%，而非结瘤品种的产量下降了70%（图1）。单独的升温对产量没有显著影响（P = 0.720）

结瘤表型影响根际氮循环

我们的结果表明，在这里测试的两种大豆基因型中，结瘤状态始终与根际中较高的矿物氮可用性和微生物活性相关，且升温和高浓度臭氧对土壤氮循环产生了不同的、取决于性状的效应。由于非结瘤品种（Clark L73-1054）是在Clark遗传背景下开发的rj1分离系，而不是Tiefeng-29的近等基因系，因此品种间的差异

结论

本研究表明，大豆的结瘤表型是根际微生物功能和氮循环的关键决定因素，并强烈调节植物-土壤-微生物对升温和高浓度臭氧的响应。结瘤品种保持了较高的矿物氮库、微生物生物量和氮循环基因的丰度，形成了一个氮周转强度更高、微生物活动更活跃的根际环境。升温进一步强化了这一现象

CRediT作者贡献声明

胡恩柱：撰写初稿、进行研究、争取资金。张伟伟：撰写、审稿与编辑、监督、项目管理、争取资金、概念构思。李亚婷：进行研究、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（41977388和31670412）和中央高校基本科研业务费（N2225037）的资助。特别感谢东北大学分析测试中心在仪器分析方面提供的帮助。